Summary

TiO<sub> 2</sub> -beschichteten Glashohlkugeln mit Superhydrophobe und hohe IR-reflektierende durch eine Soft-Chemie synthetisiert Eigenschaften

Published: April 26, 2017
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Summary

This manuscript proposes a soft-chemistry method to synthesize superhydrophobic, TiO2-coated hollow glass microspheres (HGM) with high IR-reflective properties.

Abstract

Diese Handschrift schlägt vor, ein Soft-Chemie Verfahren superhydrophoben und hoch IR-reflektierenden Glasmikrohohlkugeln (HGM) zu entwickeln. Die Anatas – TiO 2 und ein superhydrophobe Mittel wurden in einem Arbeitsgang auf der HGM beschichtende Oberfläche. TBT und PFOTES wurden als Ti-Quelle und der superhydrophoben Mittel jeweils ausgewählt. Sie wurden beide auf dem HGM beschichtet, und nach dem hydrothermalen Verfahren, das TBT gedreht TiO 2 Anatas. Auf diese Weise wird ein PFOTES / TiO 2 -beschichteten HGM (MCHGM) wurde hergestellt. Zum Vergleich PFOTES einfach beschichteten HGM (F-SCHGM) und TiO 2 einfach beschichteten HGM (Ti-SCHGM) wurden ebenfalls synthetisiert. Das PFOTES und TiO 2 -Beschichtungen auf der HGM Oberfläche wurden durch Röntgenbeugung (XRD), Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und energiedispersiver Detektor (EDS) Charakterisierungen demonstriert. Die MCHGM zeigte einen höherer Kontaktwinkel (153 °), aber einen niedrigeren Gleitwinkel (16 °) als F-SCHGM, mit einem Kontaktwinkel von 141,26; und einen Gleitwinkel von 67 °. Zusätzlich zeigten beide Ti-SCHGM und MCHGM Ähnliche IR-Reflexionswerte, die etwa 5,8% höher als die ursprüngliche HGM und F-SCHGM waren. Außerdem änderte sich die PFOTES Beschichtung kaum die Wärmeleitfähigkeit. Daher F-SCHGM, mit einer Wärmeleitfähigkeit von 0,0479 W / (m · K), war ganz wie das Original HGM, das 0,0475 W / (m · K) war. MCHGM und Ti-SCHGM waren ebenfalls ähnlich. Deren Wärmeleitfähigkeitswerte waren 0,0543 W / (m · K) und 0,0543 W / (m · K), respectively. Die TiO 2 -Beschichtung leicht erhöhte die thermische Leitfähigkeit, aber mit der Erhöhung der Reflektivität wurde die Gesamtwärmeisolationseigenschaft verbessert. Schließlich, da die IR-reflektierende Eigenschaft von der HGM Beschichtung versehen ist, wenn die Beschichtung verschmutzt ist, verringert sich die Reflektivität. Daher kann mit der superhydrophoben Beschichtung wird die Oberfläche vor Verschmutzung geschützt, und ihre Lebensdauer ist auch verlängert.

Introduction

Hohlglasmikrokugeln (HGM) sind anorganische Materialien in der Größe im Bereich von 10 bis 100 um. Sie zeigen viele nützlichen Eigenschaften, wie ausgezeichnete Dispersion, hohe Fließfähigkeit, geringe Dichte und hervorragende Wärmeisoliereigenschaften 1, 2, 3, 4. Aufgrund ihrer Hohlstruktur hat HGM eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit 10, 11. Aus diesen Gründen werden sie in vielen Bereichen angewandt, einschließlich der Luft- und Raumfahrt 5, Tiefsee-Exploration 6, 7, Wasserstoffspeicher 8, 9, usw. Aber sie immer noch einige Nachteile, wie geringe Festigkeit aufweisen. Darüber hinaus ist das IR-Licht in der Lage durch HGM zu übertragen und das Thema hinter beheizen. dafüre, Oberflächenmodifikationen auf HGM sind unerlässlich, um die Strahlungswärmeübertragung zu reduzieren. Eine wirksame Methode ist die Beschichtung ein IR-blockierende Material auf die Oberfläche HGM. Als Halbleiter hat TiO 2 16 in vielen Bereichen, wie beispielsweise das Photokatalyse 12, 13, Solarzellen Entwicklung, Fertigung Sensor 14, Umweltanwendungen 15 und Energiespeicher verwendet. Darüber hinaus zeigt sie auch mit geringem Emissionsvermögen im sichtbaren Licht und Infrarotband 17, 18, 19. Daher ist für unsere Zwecke war TiO 2 eine umsichtige Auswahl aufgrund seiner relativ niedrigen Preis und hoher Leistung.

Allerdings ist die Beschichtung ganz einfach für Schadstoffe zu beschmutzen, die ernsthaft die Reflektivität von TiO 2 wirkt. Das Reflexionsvermögen muss nach und nach reduzieren. Daher ist ein self reinigende Beschichtung ist wichtig, die Beschichtung vor Verschmutzung zu verhindern und die Arbeitszeit einer solchen Beschichtung zu verlängern.

In diesem Manuskript wurde ein Soft-Chemie verwendetes Verfahren superhydrophoben TiO 2 -beschichteten HGM zu entwickeln. Tetrabutyltitanat (TBT) und 1H, 1H, 2H, 2H-Perfluoroctyltriethoxysilan (PFOTES) wurden als Ti-Quelle und superhydrophoben Mittel ausgewählt sind. Sie wurden auf der HGM Oberfläche hydrolysiert und abgeschieden. Dann, nach dem hydrothermalen Verfahren, der Anatas – TiO 2 auf der HGM Oberfläche gebildet, und die superhydrophobe Eigenschaften blieben. Zum Vergleich PFOTES einfach beschichteten HGM (F-SCHGM) und TiO 2 einfach beschichteten HGM (Ti-SCHGM) wurden ebenfalls synthetisiert. Das Syntheseschema ist in Abbildung 1 dargestellt.

Protocol

1. Vorbehandlung von HGM Platzieren Sie die HGM in ein 500-ml-Becherglas mit 200 ml absolutem Alkohol; Die geringe Dichte des ungebrochenen HGM verursacht es in dem Alkohol zu unterbrechen, sondern weil die Dichte von gebrochenem HGM größer ist als diejenige von Alkohol, fällt es in der Lösung. Nach 30 min sammeln bei 80 ° C in einem Ofen für eine weitere Anwendung des suspendierten HGM mit einem sauberen Löffel und trocken. 2. Synthese von MCHGM Place 5 g …

Representative Results

Die Tests in Schritt 4.4 zeigen viele Merkmale und Eigenschaften der Proben. Die XRD (Figur 2) gibt die Bildung von Anatas – TiO 2. Die SEM (Abbildung 3) und EDS (Figur 4) zeigt das TiO 2 und die auf der PFOTES HGM Oberfläche beschichtet sind. Der Kontaktwinkel (Abbildung 5) und Schiebewinkel (Abbildung 6) Tests stellen die Superhydrophobie. Der VIS-NIR -Durchlässigkeitstest <stro…

Discussion

In diesem Manuskript ist der kritische Schritt in dem Protokoll die hydrothermalen Verfahren. Es beeinflusst die Bildung von TiO 2, die letzten Reflexionsvermögen und die superhydrophoben. Die Temperaturkontrolle und Reaktionszeit ist auch sehr wichtig. Wenn die Reaktionsbedingungen zu ändern, können die Endprodukte fehlerhaft sein.

Diese Methode bietet einen einfachen Weg superhydrophoben und hoch IR-reflektierenden HGM in einem Schritt zu synthetisieren. In früheren Forschun…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Arbeiten in diesem Papier beschrieben wurden durch einen Zuschuss von den CII-HK / PolyU Innovationsfonds unterstützt. Weitere Unterstützung wurde von dem Shenzhen Peacock Plan (KQTD2015071616442225) und die chinesischen Regierung "Thousand Talent" Program (Y62HB31601) zur Verfügung gestellt. Auch die Hilfe von der Abteilung für angewandte Biologie & Chemical Technology von der Hong Kong Polytechnic University und der Hong Kong Polytechnic University Research Institute für nachhaltige Stadtentwicklung (RISUD) geschätzt wird.

Materials

HGM Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Science N/A N/A
TBT Sigma-Aldrich CAS#: 5593-70-4 Analytical grade
Ethyl Alcohol Sigma-Aldrich CAS#: 64-17-5 Analytical grade
PFOTES Sigma-Aldrich CAS#: 51851-37-7 98%

References

  1. Yung, K. C., Zhu, B. L., Yue, T. M., Xie, C. S. Preparation and properties of hollow glass microsphere-filled epoxy-matrix composites. Compos. Sci. Technol. 69 (2), 260-264 (2008).
  2. Xu, N., Dai, J., Zhu, Z., Huang, X., Wu, P. Synthesis and characterization of hollow glass-ceramics microspheres. Compos. Sci. Technol. 72 (4), 528-532 (2011).
  3. Li, B., Yuan, J., An, Z., Zhang, J. Effect of microstructure and physical parameters of hollow glass microsphere on insulation performance. Mater. Lett. 65 (12), 1992-1994 (2011).
  4. Hu, Y., Mei, R., An, Z., et al. Silicon rubber/hollow glass microsphere composites: Influence of broken hollow glass microsphere on mechanical and thermal insulation property. Compos. Sci. Technol. 79, 64-69 (2013).
  5. Geleil, A. S., Hall, M. M., Shelby, J. E. Hollow glass microspheres for use in radiation shielding. J. Non-Cryst. Solids. 352, 620-625 (2006).
  6. Khimiya. . Handbook of Fillers for Polymeric Composite Materials [Russian translation]. , (1981).
  7. Greiner-Bar, G. HoNe Mikroglaskugeln. Herstellung, Eigenschaften und Anwendung. Silikattechnik. 40 (1), 23-25 (1989).
  8. Kool, L. B. Method for storing hydrogen, and related articles and systems. United States Patent. , (2010).
  9. Brow, R. K., Schmitt, M. L. A survey of energy and environmental application of glass. J. Eur. Ceram. Soc. 29, 1193-1201 (2009).
  10. Awaja, F., Arhatari, B. D. X-ray Micro Computed Tomography investigation of accelerated thermal degradation of epoxy resin/glass microsphere syntactic foam. Composites Part A. 40 (8), 1217-1222 (2009).
  11. Wang, S., Luo, R., Ni, Y. Preparation and characterization of resin-derived carbon foams reinforced by hollow ceramic microspheres. Mater. Sci. Eng., A. 527 (15), 3392-3395 (2010).
  12. Carp, O., Huisman, C. L., Reller, A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide. Prog. Solid State Chem. 32 (1), 33-177 (2004).
  13. Fujishima, A., Rao, T. N., Tryk, D. A. Titanium dioxide photocatalysis. J. Photochem. Photobiol. C. 1 (1), 1-21 (2000).
  14. Fujishima, A. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature. 238 (5358), 37-38 (1972).
  15. Hoffmann, M. R., Martin, S. T., Choi, W., et al. Environmental applications of semiconductor photocatalysis. Chem. Rev. 95 (1), 69-96 (1995).
  16. Chen, X., Mao, S. S. Titanium dioxide nanomaterials: synthesis, properties, modifications, and applications. Chem. Rev. 107 (7), 2891-2959 (2007).
  17. Yuan, J., An, Z., Li, B., et al. Facile aqueous synthesis and thermal insulating properties of low-density glass/TiO2 core/shell composite hollow spheres. Particuology. 10 (4), 475-479 (2012).
  18. Yan, H., Yuanhao, W., Hongxing, Y. TEOS/silane coupling agent composed double layers structure: A novel super-hydrophilic coating with controllable water contact angle value. Appl. Energy. , (2015).
  19. Wang, Y., Yang, H., Lu, L. Three-dimensional double deck meshlike dye-sensitized solar cells. J. Appl. Phys. 108 (6), 064510 (2010).
  20. Wang, Y., Yang, H., Xu, H. DNA-like dye-sensitized solar cells based on TiO 2 nanowire-covered nanotube bilayer film electrodes. Mater. Lett. 64 (2), 164-166 (2010).
  21. Wang, Y., Lu, L., Yang, H., et al. Development of high dispersed TiO2 paste for transparent screen-printable self-cleaning coatings on glass. J. Nanopart. Res. 15 (1), 1-6 (2013).
  22. Kwok, D. Y., Neumann, A. W. Contact angle measurement and contact angle interpretation. Adv. Colloid Interface Sci. 81 (3), 167-249 (1999).
  23. Pierce, E., Carmona, F. J., Amirfazli, A. Understanding of sliding and contact angle results in tilted plate experiments. Colloids Surf., A. 323 (1), 73-82 (2008).
  24. Kim, W. S., Kim, T. H., Kim, E. S., et al. Microwave dielectric properties and far infrared reflectivity spectra of the (Zr0. 8Sn0. 2) TiO4 ceramics with additives. Jpn. J. Appl. Phys. 37 (9S), 5367 (1998).
  25. Hasselman, D. P. H., Johnson, L. F. Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance. J. Compos. Mater. 21 (6), 508-515 (1987).
  26. Cassie, A. B. D., Baxter, S. Wettability of porous surfaces. Trans. Faraday Soc. 40, 546-551 (1944).
  27. Wenzel, R. N. Resistance of solid surfaces to wetting by water. Ind. Eng. Chem. Res. 28 (8), 988-994 (1936).
  28. Shirtcliffe, N. J., McHale, G., Newton, M. I., et al. Intrinsically superhydrophobic organosilica sol-gel foams. Langmuir. 19 (14), 5626-5631 (2003).
  29. Rothstein, J. P. Slip on superhydrophobic surfaces. Annu. Rev. Fluid Mech. 42, 89-109 (2010).
  30. Rodošek, M., Kreta, A., Gaberšček, M., et al. Ex situ IR reflection-absorption and in situ AFM electrochemical characterisation of the 1, 2-bis (trimethoxysilyl) ethane-based protective coating on AA 2024 alloy. Corros. Sci. 102, 186-199 (2016).
  31. Jiang, J., Zhang, J., Zhu, P., et al. High pressure studies of Ni 3[(C 2 H 5 N 5) 6 (H 2 O) 6](NO 3) 6· 1.5 H 2 O by Raman scattering, IR absorption, and synchrotron X-ray diffraction. RSC Adv. 6 (69), 65031-65037 (2016).
  32. Arukalam, I. O., Oguzie, E. E., Li, Y. Fabrication of FDTS-modified PDMS-ZnO nanocomposite hydrophobic coating with anti-fouling capability for corrosion protection of Q235 steel. Journal of Colloid and Interface Science. 484, 220-228 (2016).
  33. Hou, W., Xiao, Y., Han, G., et al. Serrated, flexible and ultrathin polyaniline nanoribbons: An efficient counter electrode for the dye-sensitized solar cell. J. Power Sources. 322, 155-162 (2016).
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Wong, Y., Zhong, D., Song, A., Hu, Y. TiO2-coated Hollow Glass Microspheres with Superhydrophobic and High IR-reflective Properties Synthesized by a Soft-chemistry Method. J. Vis. Exp. (122), e55389, doi:10.3791/55389 (2017).

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